电磁场传播的平均能流密度的推导(复数形式)

电磁场传播的平均能流密度的推导(复数形式)电磁场传播的平均能流密度的推导 复数形式 平均能流密度是矢量还是标量

大家好,欢迎来到IT知识分享网。

  • E(x,y,z,t)=\frac{1}{2}[E(x,y,z)e^{-j\omega t}+E^{*}(x,y,z)e^{j\omega t}]
  • H(x,y,z,t)=\frac{1}{2}[H(x,y,z)e^{-j\omega t}+H^{*}(x,y,z)e^{j\omega t}]

        电磁波的平均能流密度\bar{S}是指在一定时间周期T内,S的时间平均值\langle S\rangle
\bar{S}=\langle S\rangle =\frac{1}{T}\int_{0}^{T}E\times Hdt
=\frac{1}{T}\cdot\frac{1}{4}\int_{0}^{T}[(Ee^{-j\omega t}+E^{*}e^{j\omega t})\times(He^{-j\omega t}+H^{*}e^{j\omega t})]dt
=\frac{1}{T}\cdot\frac{1}{4}\int_{0}^{T}(E\times He^{-j2\omega t}+E\times H^{*}+E^{*}\times H+E^{*}\times H^{*}e^{j2\omega t})dt
=\frac{1}{4}(E\times H^{*}+E^{*}\times H)+ \frac{1}{T}\cdot\frac{1}{4}\int_{0}^{T}(E\times He^{-j2\omega t}+E^{*}\times H^{*}e^{j2\omega t})dt
\approx\frac{1}{4}(E\times H^{*}+E^{*}\times H)
=\frac{1}{2}Re(E\times H^{*})

下面对以上推导过程中倒数第2~3步为什么可以进行积分项的省略做出解释:

        在上述推导过程中,积分项被忽略的原因是因为它们代表的是高频振荡项,这些项在一个完整周期内的平均值为零。具体来说,这里有两个积分项:

  1.  \frac{1}{T} \int_0^T E \times H e^{-j2\omega t} dt
  2.  \frac{1}{T} \int_0^T E^* \times H^* e^{j2\omega t} dt

        这里的 e^{-j2\omega t}e^{j2\omega t} 是复指数函数,它们具有周期性,且频率是基频的两倍。在一个完整的周期T内,这些复指数函数会完成两个完整的周期振荡。
        由于积分是在一个完整周期内进行的,这些高频振荡项在一个周期内的平均值将会相互抵消,结果为零。这是因为正弦和余弦函数在一个完整周期内的积分为零(它们的平均值是零),而复指数函数可以表示为正弦和余弦函数的组合。
        数学上,这可以表示为:
\int_0^T e^{-j2\omega t} dt = \frac{1}{-j2\omega} \left[ e^{-j2\omega t} \right]_0^T = \frac{1}{-j2\omega} (e^{-j2\omega T} - 1)
其中e^{-j2\omega T} = 1(因为T\frac{2\pi}{\omega}的整数倍,结合欧拉公式e^{ix} = \cos(x) + i\sin(x)可得上式的结果为1),可得上述积分式的结果为0。
        因此,这两个积分项在一个周期内的平均值为零,可以忽略不计。这就是为什么在计算平均能流密度时,可以省略这两个积分项。最终,我们只保留了不随时间变化的项,即:
\bar{S} \approx \frac{1}{4}(E \times H^* + E^* \times H) = \frac{1}{2}Re(E \times H^*)

这也是文献中经常引用的公式。

免责声明:本站所有文章内容,图片,视频等均是来源于用户投稿和互联网及文摘转载整编而成,不代表本站观点,不承担相关法律责任。其著作权各归其原作者或其出版社所有。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容,侵犯到您的权益,请在线联系站长,一经查实,本站将立刻删除。 本文来自网络,若有侵权,请联系删除,如若转载,请注明出处:https://haidsoft.com/156574.html

(0)
上一篇 2025-02-11 16:33
下一篇 2025-02-11 16:45

相关推荐

发表回复

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注

关注微信